王潔 龍琪 韓亞秀 徐海彪 吳簫

摘要： 碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)是著名的化學(xué)趣味表演實(shí)驗(yàn)。為了讓這一經(jīng)典實(shí)驗(yàn)走進(jìn)中小學(xué)生的生活世界，以水果和蔬菜為原料對(duì)其進(jìn)行生活化設(shè)計(jì)。基于實(shí)驗(yàn)原理提出實(shí)驗(yàn)方案的相關(guān)假設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行微量實(shí)驗(yàn)探究和常量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最終發(fā)現(xiàn)紅辣椒是演示碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的最佳原料。

關(guān)鍵詞： 碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn); 維生素C; 雙氧水; 實(shí)驗(yàn)探究 ? 文章編號(hào)： 10056629（2019）6006605??????中圖分類號(hào)： G6338??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1886年，瑞士化學(xué)家蘭多爾特（Landolt）首次演示了碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)[1]。這個(gè)實(shí)驗(yàn)瞬間變藍(lán)的奇妙現(xiàn)象打動(dòng)了無數(shù)科學(xué)愛好者。雖然一百多年過去了，但是碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)至今還被用于化學(xué)動(dòng)力學(xué)問題的教學(xué)[2， 3]。

經(jīng)典碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)用到的藥品是碘酸鉀、亞硫酸氫鈉、淀粉和濃硫酸。它們?nèi)腔瘜W(xué)試劑，遠(yuǎn)離學(xué)生的生活世界。因此，有學(xué)者嘗試著用生活物品改進(jìn)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)。其中最常見的是采用維生素C藥片、醫(yī)用雙氧水、碘酊和淀粉做此實(shí)驗(yàn)[4]。但有研究發(fā)現(xiàn)，用維生素C藥片做碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性不是很好[5]。因此，本研究采用富含還原性物質(zhì)的水果和蔬菜來設(shè)計(jì)和演示碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)探究階段試驗(yàn)了十余種水果和蔬菜，發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)類似現(xiàn)象的果蔬分別是紅辣椒、檸檬、獼猴桃、胡蘿卜、芒果、橙子、夏黑葡萄等。最終，綜合考慮實(shí)驗(yàn)效果、原料成本、實(shí)驗(yàn)安全性和學(xué)生參與度等因素，發(fā)現(xiàn)紅辣椒是演示生活化碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的最佳原料。

用水果和蔬菜演示碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)具有多重意義。首先，水果蔬菜所含成分全是天然物質(zhì)，沒有人工添加劑，有利于激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高實(shí)驗(yàn)的趣味性。其次，水果蔬菜是人體健康必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在日常生活中比維生素C藥片的認(rèn)知度更高。用水果和蔬菜演示碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)更能展示“化學(xué)在身邊”的科學(xué)理念，有助于提高實(shí)驗(yàn)的生活性，非常適宜給中小學(xué)生在課內(nèi)外演示。因此，它在科學(xué)教育中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案篩選

在經(jīng)典碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)中，溶液剛開始混合后的一段時(shí)間內(nèi)沒有任何現(xiàn)象，稍等片刻后溶液突然變色。本研究將混合后沒有現(xiàn)象的那段時(shí)間稱為等待期，將變色瞬間所用時(shí)間稱為變色期。參照碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典現(xiàn)象，本研究的探究目標(biāo)是將等待期控制在5～20秒之間，變色期控制在2秒以內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)假設(shè)

維生素C體系碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)原理如下所示[6]：

反應(yīng)（1）中，單質(zhì)碘被過量維生素C還原，生成碘離子。此時(shí)溶液中的還原性物質(zhì)為碘離子和過量維生素C。兩種溶液混合后，由于維生素C的還原性大于碘離子，所以在第（2）步反應(yīng)中，雙氧水先與過量維生素C反應(yīng)。這時(shí)，碘時(shí)鐘反應(yīng)處于等待期。待維生素C全部被氧化后，發(fā)生反應(yīng)（3），雙氧水將碘離子氧化成單質(zhì)碘，使淀粉變藍(lán)，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)瞬間變藍(lán)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

由上述反應(yīng)原理可知，混合溶液中的維生素C濃度越大，等待期越長(zhǎng)。雙氧水濃度越大，等待期和變色期都會(huì)縮短。另外，酸性條件可以提高雙氧水的氧化性，并且單質(zhì)碘在弱堿性條件下會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)。因此，碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)必須在酸性條件下進(jìn)行。

根據(jù)以上反應(yīng)原理推導(dǎo)出以下果蔬碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的假設(shè)方案： 用榨汁機(jī)獲取水果汁或者蔬菜汁原液，取清液于試管中。向清液中加入碘酊，得到溶液A。醫(yī)用過氧化氫消毒液中加入硫酸進(jìn)行酸化，再加入淀粉溶液，得到溶液B。預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是： 將A、 B兩種溶液混合后，稍等片刻，溶液迅速變色。

實(shí)驗(yàn)探究

碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的變色期和等待期對(duì)試劑濃度非常敏感。因此，實(shí)驗(yàn)原料的選擇以及實(shí)驗(yàn)試劑的用量及配比是本實(shí)驗(yàn)的研究重點(diǎn)。

果蔬品種的選擇

果蔬品種的選擇是實(shí)驗(yàn)探究的第一步。筆者嘗試了十余種富含維生素C等還原性物質(zhì)的水果和蔬菜。發(fā)現(xiàn)可以出現(xiàn)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)類似現(xiàn)象的果蔬分別是紅辣椒、檸檬、獼猴桃、胡蘿卜、芒果、橙子、夏黑葡萄。由于維生素C等還原性物質(zhì)易被氧化，所以實(shí)驗(yàn)中的果蔬汁要現(xiàn)用現(xiàn)配，不要隔夜使用。

淀粉品種的選擇

本研究發(fā)現(xiàn)，淀粉品種會(huì)影響碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的顏色變化。有些淀粉遇碘并不立刻變藍(lán)，而是先變?yōu)榉圩仙蜃虾稚?，然后才逐漸變成藍(lán)色。這種現(xiàn)象與碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)中“瞬間變藍(lán)”的現(xiàn)象差別較大。查閱文獻(xiàn)得知，淀粉可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。支鏈淀粉遇碘呈紫紅色。直鏈淀粉與碘作用呈現(xiàn)藍(lán)色[7]。不同植物淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例不同。淀粉遇碘呈現(xiàn)的最終顏色取決于該淀粉中直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例[8]。此外，天然淀粉中還含有油脂。碘溶于油脂中，會(huì)使溶液呈現(xiàn)紅色至橙紅色的顏色[9]?；谖墨I(xiàn)查閱結(jié)果，本研究先后采用紅薯淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉和馬鈴薯淀粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有馬鈴薯淀粉會(huì)使混合溶液瞬變?yōu)樗{(lán)黑色，符合碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的要求。

試劑用量及配比

根據(jù)反應(yīng)機(jī)理，對(duì)果蔬碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)中的等待期和變色期進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。調(diào)整方法是： 增加果蔬汁體積延長(zhǎng)等待期，反之亦然。增加雙氧水體積縮短等待期和變色期，反之亦然。加熱條件能同時(shí)縮短等待期和變色期。根據(jù)這種調(diào)整方法，經(jīng)過數(shù)次嘗試，本研究得到了以下微量實(shí)驗(yàn)方案。

[實(shí)驗(yàn)原料]市售水果和蔬菜若干種、碘酊、純凈水、過氧化氫消毒液、馬鈴薯淀粉，3mol·L-1硫酸

[實(shí)驗(yàn)器材]有刻度的塑料滴管、量筒、燒杯、玻璃棒、榨汁機(jī)、石棉網(wǎng)、三腳架、酒精燈

[實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備]

（1） 稀釋碘酊溶液： 將碘酊和純凈水按照1∶6的體積比稀釋，備用。

（2） 配制馬鈴薯淀粉溶液： 取10g馬鈴薯淀粉放入200mL冷水中攪拌均勻。加入300mL沸水?dāng)嚢杈鶆颍ㄈ绻麑ⅠR鈴薯淀粉直接倒入沸水后攪拌，粉末狀的馬鈴薯淀粉會(huì)凝結(jié)成塊狀，不利于淀粉溶液的形成）。冷卻后加入3mol·L-1硫酸溶液10mL。

（3） 制備果蔬汁： 將水果和蔬菜剝皮去核，用榨汁機(jī)榨取汁液，靜置，取清液備用。

（4） 貼標(biāo)簽： 給燒杯和塑料滴管分別貼上相應(yīng)標(biāo)簽，防止混用。

[實(shí)驗(yàn)步驟]

（1） 配制溶液A： 取10滴稀釋后的碘酊溶液，向其中逐滴加入果蔬原汁，邊加邊振蕩，直到碘酊溶液剛好褪色或者顏色突然變淺（果蔬汁的具體滴數(shù)詳見表1），得到溶液A，將其加熱至微沸。

（2） 配制溶液B： 取10滴過氧化氫消毒液，10滴3mol·L-1硫酸和2mL馬鈴薯淀粉溶液混合，得到溶液B，將其加熱至微沸。

（3） 將溶液B快速倒入溶液A，同時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，觀察溶液變色時(shí)間及變色現(xiàn)象。

對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的初步篩選

微量實(shí)驗(yàn)用于初步探究果蔬碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)中的試劑用量及其配比，不便于演示和表演。在微量實(shí)驗(yàn)成功之后，本研究又將試劑擴(kuò)大倍數(shù)，改為常量實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理對(duì)試劑用量做了微調(diào)。同時(shí)對(duì)溫度條件作了調(diào)整。在微量實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)次數(shù)非常多。為了簡(jiǎn)化操作，實(shí)驗(yàn)時(shí)將A、 B溶液加熱至微沸，從而省去使用溫度計(jì)的操作。但是，微沸條件下，有可能會(huì)發(fā)生一系列副反應(yīng)，比如果蔬汁中的還原性成分被氧化或者分解，雙氧水發(fā)生分解，碘與淀粉變成的藍(lán)色消失等。因此，常量實(shí)驗(yàn)方案的探究中，將加熱至微沸條件改為加熱至30℃左右。這一改變不僅可以減少副反應(yīng)發(fā)生，而且使得該實(shí)驗(yàn)在夏天演示效果更好。因?yàn)橄奶鞙囟冉?jīng)常在30℃左右，正是水果蔬菜大量上市的季節(jié)。在夏天做此實(shí)驗(yàn)，既可以省去加熱操作，也可以設(shè)計(jì)生動(dòng)有趣富有生活氣息的實(shí)驗(yàn)情景。

常量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用紅辣椒、胡蘿卜、檸檬汁和獼猴桃做的演示效果較好。具體實(shí)驗(yàn)方案為： 按照表2所示用量配制溶液A和溶液B。分別將兩種溶液加熱至30℃左右。將溶液B倒入溶液A，同時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，觀察溶液變色時(shí)間及變色現(xiàn)象。紅辣椒和胡蘿卜的碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是橙紅色溶液靜置一段時(shí)間后變?yōu)楹谏?。獼猴桃和檸檬的碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是乳白色溶液靜置一段時(shí)間后變?yōu)樗{(lán)色。

紅椒碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)最終方案

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來看，表2所示的四種果蔬碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)均能取得理想的實(shí)驗(yàn)效果。但是，一個(gè)好的趣味表演實(shí)驗(yàn)，除了考慮實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以外，還要考慮實(shí)驗(yàn)原料的購(gòu)買成本、購(gòu)買渠道以及原料的安全性。原料成本低有助于擴(kuò)大試劑用量，提升視覺效果。原料購(gòu)買方便有利于擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)的普及面。原料安全性高有利于提高觀眾的參與度。

表2所示的四種水果蔬菜中，紅辣椒和胡蘿卜具有汁液顏色鮮艷、原料成本低、安全性高、購(gòu)買方便的優(yōu)點(diǎn)。但是這兩個(gè)方案都要用到硫酸溶液。它是實(shí)驗(yàn)室里的化學(xué)試劑，既不方便購(gòu)買，也不安全。于是，本研究將淀粉溶液的酸化試劑由硫酸改為醋精（總酸含量≥30g/100mL）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅辣椒碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)依然能取得理想的實(shí)驗(yàn)效果。而胡蘿卜碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)換成醋精之后，變色過程為漸變，不是瞬變。

綜合多方面因素，本研究發(fā)現(xiàn)，紅辣椒是演示碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的最佳原料。具體實(shí)驗(yàn)方案如下所示：

[實(shí)驗(yàn)原料]紅辣椒、碘酊（2%）、純凈水、醫(yī)用過氧化氫消毒液（2.7%～3.3%）、馬鈴薯淀粉、醋精（總酸含量≥30g/100mL）

[實(shí)驗(yàn)器材]有刻度的塑料滴管、量筒、燒杯、玻璃棒、榨汁機(jī)、石棉網(wǎng)、三腳架、酒精燈、溫度計(jì)

[實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備]

（1） 稀釋碘酊溶液： 將碘酊和純凈水按照1∶ 6的體積比稀釋，備用。

（2） 配制馬鈴薯淀粉溶液： 取10g馬鈴薯淀粉放入200mL冷水中攪拌，再將其倒入300mL沸水中，攪拌均勻，得馬鈴薯淀粉澄清溶液。

（3） 制備紅椒汁： 將紅辣椒去籽去筋，用榨汁機(jī)榨取汁液，靜置，取清液備用。

（4） 貼標(biāo)簽： 給溶液和塑料滴管貼上相應(yīng)的標(biāo)簽，防止混用。

[實(shí)驗(yàn)步驟]

（1） 配制溶液A： 取30mL稀釋后的碘酊溶液，向其中加入40mL紅椒汁，攪拌均勻，得到溶液A。將其微熱至30℃左右。

（2） 配制溶液B： 取50mL醫(yī)用過氧化氫消毒液、30mL醋精、150mL馬鈴薯淀粉溶液混合均勻，得到溶液B，將其微熱至30℃左右。

（3） 將溶液B快速倒入溶液A中，同時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，觀察溶液變色時(shí)間及變色現(xiàn)象。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]

紅椒碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的等待期為12秒，變色期不到1秒。溶液顏色由橙紅色瞬變?yōu)楹谏?，?shí)驗(yàn)效果非常理想。

3?研究結(jié)論與展望

本研究基于經(jīng)典碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)其進(jìn)行生活化設(shè)計(jì)。先從微量實(shí)驗(yàn)入手，尋找能夠達(dá)到較好效果的水果蔬菜和淀粉，探究各種試劑的用量和配比。微量實(shí)驗(yàn)成功后，將試劑用量等比例放大，對(duì)常量實(shí)驗(yàn)做了探究，并對(duì)微量實(shí)驗(yàn)方案做了調(diào)整和優(yōu)化。通過反復(fù)多次試驗(yàn)，本研究發(fā)現(xiàn)以紅辣椒為原料的生活化碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的最佳方案如下所示：

（1） 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備： 按照V（碘酊）∶V（水）=1∶6的比例稀釋碘酊;取5g馬鈴薯淀粉放入100mL冷水中攪拌均勻，再將其倒入150mL沸水中攪拌均勻。紅辣椒去籽去皮，榨取紅椒汁。

（2） 配制溶液A： 取30mL稀釋后的碘酊溶液與40mL紅椒汁混合均勻，微熱至30℃左右。這時(shí)混合溶液A呈現(xiàn)紅椒汁的橙紅色（注：不同品牌碘酊的濃度略有差異。配制溶液A時(shí)，向碘酊稀溶液中逐漸加入紅椒汁，當(dāng)?shù)怍伾『孟r(shí)，再加入幾滴紅椒汁即可）。

（3） 配制溶液B： 將50mL醫(yī)用過氧化氫消毒液、30mL醋精、150mL馬鈴薯淀粉溶液混合均勻。微熱至30℃左右，這時(shí)混合溶液B為無色。

（4） 實(shí)驗(yàn)表演： 將溶液B快速倒入溶液A中。剛開始混合時(shí)，溶液仍然為橙紅色，沒有任何現(xiàn)象。大約在混合后第12秒左右，橙紅色瞬變?yōu)楹谏?，這一顏色變化過程在1秒內(nèi)迅速完成。

本方案中用到的紅辣椒為菜場(chǎng)和超市中常見的大紅椒。長(zhǎng)約10～15厘米，頂部直徑約0～2厘米，根部直徑約4～6厘米。皮肉厚實(shí)，不規(guī)則，質(zhì)感硬?？诟休^辣。配制溶液的純凈水為商品名稱中含有“純凈水”字樣的飲用水。

相比于經(jīng)典碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 實(shí)驗(yàn)原料廉價(jià)易得，在菜場(chǎng)、超市和藥店中都能買到。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便安全、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、密切聯(lián)系生活。能使學(xué)生感受到生活中處處有化學(xué)，從而激發(fā)化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。

本文所述果蔬碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)還可引發(fā)很多后續(xù)研究。首先，從科學(xué)教育的視角進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，將果蔬碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)用于化學(xué)動(dòng)力學(xué)問題的探究、中小學(xué)幼兒園的趣味實(shí)驗(yàn)表演、面向公眾的科普宣傳活動(dòng)等。其次，檸檬、獼猴桃、胡蘿卜、芒果、橙子、夏黑葡萄等水果也能產(chǎn)生碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的類似現(xiàn)象，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的不足之處在于瞬變過程有待優(yōu)化。最后，富含還原性物質(zhì)的水果蔬菜品種繁多，本研究?jī)H試驗(yàn)了其中的十余種。其他水果和蔬菜在碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)中的探究設(shè)計(jì)留待學(xué)界同行深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]?https：//en.wikipedia.org/wiki/Iodine_clock_reaction.

[2]?姜紹南， 耿志琴， 黃金蘭. “碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)”在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用初探[J]. 中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備， 2017， （6）： 28～29.

[3][4]?Wright S.W.. The vitamin C clock reaction [J]. Journal of Chemical Education， 2002， 79（1）： 42.

[5][6]?朱思敏， 張偉娜. 維生素C的碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)探索[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2008， （9）： 19～20.

[7]?張秀清. 淀粉與碘反應(yīng)的顯色原理和條件[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2006， （12）： 27～28.

[8]?張前進(jìn). 淀粉遇碘不一定變藍(lán)[J]. 生物學(xué)通報(bào)， 2014， 49（1）： 53～54.

[9]?賈同全. 碘遇淀粉一定變藍(lán)色嗎[J]. 中學(xué)化學(xué)， 2014， （11）： 24.